碳化钽耐超高温陶瓷的研究进展

碳化钽耐超高温陶瓷的研究进展

摘要：随着社会经济的发展，我国的化工行业有了很大进展，在化工行业中，

碳化钽(TaC)陶瓷具有熔点高、硬度高、化学稳定性好等优点，可应用于耐磨刀具、导电薄膜、航天推进等领域。本文综述了TaC陶瓷粉体及陶瓷材料的制备方法。

着重介绍了直接化合反应法、双置换气相反应法、碳热还原法等工艺的基本原理

和应用现状，概述了粉体不同烧结工艺的研究进展，最后总结展望了TaC陶瓷研

制的发展趋势。

关键词：超高温陶瓷；制备；烧结；综述

引言

化学工业生产中的各种工业炉窑所排放出来的高温废气，有时候竟达到600℃～1400℃，废气含有大量的粉尘，粉尘颗粒细，粒径小于5μm～10μm，甚

至在亚微米级，在高温体系中粉尘粘滞力有较大变化，分离难度高，废气中含有

害物质和氯化物、硫化物等有酸性气体存在，具有一定的腐蚀性，这些高温废气

的排放，会对环境造成污染。

1透波基本概念和科学技术内涵

高温透波材料是在恶劣使用环境条件下保护飞行器的通讯、遥测、制导、引

爆等系统正常工作的一种多功能电介质材料，广泛应用于运载火箭、飞船、导弹

及返回式卫星等再入飞行器。高温透波部件按其结构形式主要分为天线窗和天线

罩两大类，用于保护雷达能够在高速飞行中正常工作，是发出和接收信号的通道。天线窗和天线罩不仅是无线电雷达系统的重要组成部分，还是飞行器的重要结构

部件，要承受飞行器在飞行过程中严苛的气动力和气动热。根据其重要性次序，

高温透波材料的评价指标分别为：(1)介电性能；(2)抗热震性；(3)力学性能；(4)

抗雨水冲蚀性；(5)材料制造和加工的可行性；(6)重量；(7)价格。高温透波材料的主要衡量标准为介电性能、抗热震性能和力学性能，分别对应于透波、防隔热和

承载的要求。透波性能是高温透波材料使用性能的首要参数，是设计选材的重要

依据。高温透波材料首先需要能够满足在频率0.3GHz~300GHz、波长

1nm~1000nm范围内保证电磁波的通过率大于70%，以保证飞行器在严苛环境下

的通讯、遥测、制导、引爆等系统的正常工作。通常来讲，具有低介电常数及介

电损耗角正切值的材料，通常具有较高的透波率。飞行器用高温透波材料的介电

常数通常应该在10以下。如果材料具有较高的介电常数，则需要降低壁厚度以

满足其透波性能，这将会对材料的力学性能和加工精度提出更为严苛的要求。材

料的损耗角正切值越小，则电磁波透过过程中转化成热量而产生的损耗也就越小。因此，高温透波材料的损耗角正切值通常要达到10-4~10-3数量级，以获得较为

理想的透波性能和瞄准误差特性。此外，为了保证在气动加热条件下尽可能不失

真地透过电磁波，高温透波材料应具有稳定的高温介电性能。因此，要求材料不

仅要具有低的介电常数和损耗角正切值，并且材料的介电性能不随温度、频率的

变化而发生明显变化(如温升100℃，介电常数变化应小于1%)。

2陶瓷纤维在化工行业高温烟气处理的应用现状

（1）高温烟气中粉尘除尘与回收。在石油化工行业流化床设备中高温、高压气体的净化及催化剂回收，在粉体工程或矿物加工行业回收有价值的粉尘，如使

用硅酸锆电熔生产氧化锆时，分解后烟气中可回收用途广泛的二氧化硅微粉。纳

米材料生产其他超细粉体生产中高温粉体的回收，有机硅多晶硅行业的高温粉尘

净化及物料回收，氧化钼冶炼高温烟气回收氧化钼和铼粉等。（2）高温烟气净

化。在电石、铁合金加工等领域的高温烟气中含大量CO等可燃气体，密闭回收

这些可燃气体，可用于后续工艺的燃气使用。在煤化工领域高温高压的煤合成气，煤干馏合成气，包括煤洁净燃烧新工艺-集成气化联合发电（IGCC），这些烟气中

的固体粉尘是否脱除，直接关系到下游设备的运行寿命和安全，陶瓷纤维处理此

类高温烟气粉尘极具优势，并能回收热能。（3）除尘、脱硫脱硝一体化超净排放。在煤化工焦化等领域，高温燃气中经常有很多对环境污染的气体，而陶瓷纤

维有其特性，可以通过控制表面去负载催化剂后，在通过利用干法除尘工艺，不

仅可以除尘，还可以净化烟气，以达到国家的环保排放标准。

3高温透波陶瓷材料发展历史及现状

天线罩/窗装于飞行器的头部，其作用是保持气动外形，保护导引头天线能够

正常工作。由于飞行器速度很高，由此带来的气动力、热载荷非常严重，天线罩/窗需集防热、承力及透波等诸多功能于一身。天线罩/窗的设计是一个包含了气动、强度、防热、电磁及材料等多学科的综合课题，在飞行器的研制中越来越受到各

军事或航天强国的重视。而天线罩/窗材料的技术水平则是制约天线罩/窗乃至飞

行器发展的重要因素之一。

4发展适应多模复合制导的材料技术

多模复合制导是未来飞行器发展的趋势，特别是融合了微波和光学(包括红外、可见光、激光等)的复合制导技术已经有了很大进展。但是，相应的天线罩/窗，

特别是在应用于高超音速飞行器上的耐高温微波/光学一体化透波天线罩/窗技术

还处于空白。为实现微波和光学复合制导在飞行器上的应用，迫切需要发展相应

天线罩/窗技术。其中，发展能同时透微波和红外的材料是其中的关键。国外在这方面已经取得了突破，其中AlON材料已经能够进行天线罩/窗的制备，而我国在

这方面刚刚处于起步阶段，需要迎头赶上。

5化工行业高温烟气处理用陶瓷纤维技术发展趋势

首先，目前运用最多是硅酸铝陶瓷纤维，为了提高陶瓷纤维滤芯的使用温度

和耐腐蚀性能，我们需要开发性能更高的陶瓷纤维，如提高陶瓷纤维纯度、开发

含锆或其他高性能的复合陶瓷纤维。其次，对陶瓷纤维滤芯表面进行改性处理，

使其表面光洁度增加，灰尘难以粘附聚集并具有疏水疏油性能，以期提高反吹清

灰性能。再次，陶瓷纤维非对称膜结构设计，最外层膜孔径更小，内层膜孔径大

便于保持高气通量减少运行阻力和易于反吹清灰。最后，因为陶瓷纤维滤芯多为

短纤维加硅溶胶等胶粘剂通过抽滤成型或静压成型而成，其保持高孔隙率的优势

同时，在使用中，受高温变化及清吹压力扫动及吸附灰尘重量影响，会因强度不

足发生断裂现象。有研究在陶瓷纤维滤芯的颈部和封闭段加强化剂以增强局部的

强度，但是这样可能会因此降低处理量。因此需要开发新的粘合剂和采用类似高

硅氧编织网复合增强滤芯的提高滤芯强度技术。

结束语

综上所述，陶瓷的突出优点就是耐高温、硬度大，且化学稳定性非常好。在

发动机喉衬和飞行器前缘等航天军事的高温领域，在硬质刀具、耐磨耐蚀部件，

以及集成电路的内部连接件等民用领域的应用潜力巨大。通过对国内外TaC陶瓷

研制现状的分析，：1）建立了可计及温度与层状结构共同影响的对称结构超高

温陶瓷基复合材料涂层与基体层所受残余热应力的理论表征模型。2）随着温度

的升高，各层所受的残余热应力发生了较为复杂的变化，其变化幅度与各层材料

组成有关。涂层材料热膨胀系数与基体层材料热膨胀系数差别越大，变化趋势越

明显。3）当涂层材料热膨胀系数大于基体层材料热膨胀系数时，涂层材料会遭